Invloed van Ag-nanodeeltjes met verschillende afmetingen en concentraties ingebed in een TiO2-compacte laag op de conversie-efficiëntie van perovskiet-zonnecellen
Abstract
In deze studie werden Ag-nanodeeltjes met verschillende deeltjesgrootte en concentratie, vervaardigd via de polyolmethode, ingebed in een TiO2 compacte film om de energieconversie-efficiëntie van perovskiet-zonnecellen te verbeteren. Verkregen resultaten toonden aan dat Ag-nanodeeltjes ingebed in de TiO2 compacte film heeft geen invloed op de kristalstructuur van TiO2 , terwijl de grootte van de Ag-nanodeeltjes de lichtabsorptiecapaciteit van perovskietmaterialen sterk kan beïnvloeden. De absorptie-intensiteit en energieconversie-efficiëntie van perovskietcellen namen echter af met de toename in grootte van Ag-nanodeeltjes. De hoeveelheid Ag-nanodeeltjes was ook een belangrijke factor voor de prestaties van perovskiet-zonnecellen, en Ag-nanodeeltjes in de compacte laag werden geoptimaliseerd om een diameter van 10 nm te meten, ingebed in een molaire verhouding van 1,5% (Ag:Ti = 1,5 mol %). Vergeleken met perovskiet-zonnecellen zonder gatengeleider die koolstof als tegenelektroden gebruiken, zonder Ag-nanodeeltjes die in de compacte film zijn verwerkt, kan de verbeterde efficiëntie van cellen die in dit onderzoek zijn ontwikkeld voornamelijk worden toegeschreven aan de versnelde ladingsoverdracht, verminderde ladingsrecombinatie en verbeterde lichtabsorptie van het perovskietmateriaal in het zichtbare gebied.
Achtergrond
Met de geleidelijke uitputting van fossiele energie is de afgelopen jaren het zoeken naar duurzame nieuwe energiebronnen een belangrijke opgave geworden. Als veelbelovend alternatief hebben perovskiet-zonnecellen (PSC's) veel belangstelling gekregen vanwege hun onderscheidende fotovoltaïsche eigenschappen [1,2,3,4,5]. De stroomconversie-efficiëntie (PCE) van PSC's is in de loop van de tijd aanzienlijk verbeterd, van 3,8 naar 22,1% [6,7,8]. Organo-metaalhalogenide perovskieten zijn materialen met een directe bandgap met een hoge dragermobiliteit, lange ladingsdiffusie en grote absorptiecoëfficiënten [9,10,11,12]. Deze superieure eigenschappen maken ze tot ideale fotoactieve materialen in zonnecellen [4, 13,14,15,16].
De aanwezigheid van een mesoporeuze laag bepaalt het verschil tussen mesoporeuze en vlakke structuren. Over het algemeen wordt de mesoporeuze structuur toegepast in zeer efficiënte PSC-apparaten, omdat het het interface-contactgebied vergroot om filmafzetting te ondersteunen en ook de ladingsextractie en ladingsoverdracht verbetert [17,18,19]. Een typische PSC met mesoporeuze structuur bestaat uit een met fluor gedoteerde tinoxide (FTO) geleidende laag, een compacte laag, een mesoporeuze laag, een perovskietlaag, een gatentransportlaag en een tegenelektrodelaag. Over het algemeen is TiO2 is vaak gebruikt als de elektronentransportlaag. Andere materialen zoals Al2 O3 , SnO2 , en ZnO zijn ook gebruikt als fotoanodes in PSC-apparaten [20,21,22,23,24,25]. In feite, TiO2 nanodeeltjes spelen een dominante rol bij de transmissie van elektronen, daarom is TiO2 is momenteel het voorkeursmateriaal voor gebruik in PSC-apparaten. Onder bestraling met zichtbaar licht worden elektronen-gatparen gegenereerd in de perovskietlaag van het PSC-apparaat, waarna de elektronen afzonderlijk naar de elektronentransportlaag (ETL) gaan, terwijl de gaten naar de gatentransportlaag gaan [26]. De ETL omvat twee verschillende lagen, namelijk de mesoporeuze laag en de compacte laag. De compacte laag staat ook bekend als de gatenblokkerende laag, omdat deze de recombinatie van elektronen en gaten kan verhinderen wanneer ze elkaar ontmoeten op het oppervlak van geleidend FTO-glas [1, 20, 27,28,29]. Daarom kunnen compacte films van hoge kwaliteit met verrassend hoge mobiliteitskenmerken van de drager en uitstekende elektrische geleidbaarheid een aanzienlijke invloed hebben op de efficiëntie van PSC-apparaten. Op het grensvlak van de compacte laag/mesoporeuze laag/perovskietlaag wordt recombinatie van dragers verminderd en kan elektroneninjectie worden versneld. Volgens het onderzoek van de afgelopen jaren is de toepassing van plasmonische nanodeeltjes haalbaar gebleken om de PCE van een PSC-apparaat te verbeteren [29, 30]. Metalen nanodeeltjes met oppervlakte-plasmonresonantie-effect kunnen de effectieve absorptie van zichtbaar licht van de lichtabsorptielaag [29,30,31] verhogen, wat is aangetoond door de toepassing van metalen plasmonische nanodeeltjes in verschillende soorten zonnecellen, zoals organische zonnecellen en silicium zonnecellen [32, 33]. Dezelfde methode zou dus kunnen worden gebruikt om de PCE van PSC-apparaten te verbeteren. Oppervlakteplasmonen kunnen worden gelokaliseerd door edele metalen nanodeeltjes zoals Ag en Au. De excitatie van gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR) kan worden gerealiseerd wanneer de frequentie van het invallende zichtbare licht overeenkomt met de resonantiepiek, wat leidt tot unieke optische eigenschappen, zoals selectieve lichtuitdoving en versterking van het elektromagnetische veld dicht bij het oppervlak van de metalen nanodeeltjes [34]. Daarom worden de efficiëntie en fotostroom van een PSC-apparaat verbeterd na gebruik van de optische eigenschappen van LSPR.
Voor zover wij weten, is het effect van Ag-nanodeeltjes (Ag NP's) ingebed in TiO2 compacte films over de efficiëntie van PSC-apparaten is niet grondig onderzocht. Bovendien zijn de afgelopen jaren veel werken gericht geweest op plasmonische PSC's en organische fotovoltaïsche cellen [35,36,37,38,39,40], terwijl Ag/TiO2 nanodeeltjescomposieten zijn de afgelopen decennia uitgebreid onderzocht voor gebruik in fotokatalytische en kleurstofgevoelige zonnecellen (DSSC's). Edelmetalen NP's hebben een indrukwekkend verstrooiingseffect en een sterke lokale oppervlakteplasmonresonantie (LSPR). Deze kenmerken kunnen de fotostroom van DSSC's verbeteren en hun fotokatalytische capaciteit verbeteren [41,42,43,44,45,46,47,48]. In ons vorige werk heeft Ag-afgezette TiO2 composieten, TiO2 nanobuisarrays en zeldzame-aarde-ion-gedoteerde nanomaterialen werden toegepast in DSSC's en PSC's [49.50.51.52.53]. In dit werk werd een colloïde bereid met verschillende groottes en concentraties Ag NP's en ingebed in een TiO2 compacte laag om de prestaties van PSC's te verbeteren. De resultaten toonden aan dat de aanwezigheid van Ag NP's in de compacte film de absorptie van het PSC-apparaat onder bestraling met zichtbaar licht kan verhogen. Dit leidt tot de vorming van meer fotogegenereerde dragers vanwege de LSPR-karakteristiek van Ag NP's in vergelijking met een vergelijkbaar apparaat dat zonder Ag NP's is gebouwd. Verder is de geoptimaliseerde grootte en concentratie van Ag NP's in de TiO2 precursor zijn respectievelijk ongeveer 10 nm en 1,5 mol%, wat de hoogste energieconversie-efficiëntie van het PSC-apparaat kan veroorzaken.
Methoden
Er zijn verschillende benaderingen ontwikkeld voor de bereiding van op grootte gecontroleerde Ag NP's [38, 54,55,56]. In deze studie kozen we de chemische methode voor het fabriceren van Ag NP's van verschillende groottes vanwege de gemakkelijk beschikbare chemische materialen en het controleerbare protocol. Voor Ag NP's met een diameter van 10 nm werd 0,75 g polyvinylpyrrolidon (PVP, K30) opgelost in 50 ml ethyleenglycol. Nadat de PVP-oplossing tot 120 °C was verwarmd, werd 0,25 g zilvernitraat (AgNO3 ) opgelost in 25 ml ethyleenglycol werd druppelsgewijs toegevoegd en men liet het gedurende 1 uur bij deze temperatuur reageren. Er werd een lichtbruine colloïdale oplossing gevormd, wat de vorming van Ag NP's impliceerde. Voor Ag NP's van 30 nm groot werd 1,5 g PVP toegevoegd aan 20 ml ethyleenglycol om volledig op te lossen en te verwarmen tot 120 °C, daarna 0,25 g AgNO3 opgelost in 10 ml ethyleenglycol werd druppelsgewijs toegevoegd aan de verwarmde oplossing en men liet het gedurende 1 uur bij deze temperatuur reageren. De kleur van de oplossing was bruin na de reactie van 1 uur. Voor Ag NP's van 40 nm groot werd 1,5 g PVP toegevoegd aan 20 ml ethyleenglycol om volledig op te lossen en te verwarmen tot 120 °C, daarna 0,15 g AgNO3 opgelost in 10 ml ethyleenglycol werd druppelsgewijs toegevoegd aan de verwarmde oplossing en men liet het gedurende 1 uur bij deze temperatuur reageren. De kleur van de oplossing was bruin na de reactie van 1 uur. Voor Ag NP's van 55 nm waren de basisprocedure en de hoeveelheid grondstof hetzelfde als die voor de 30 nm Ag NP's, maar de verwarmingstemperatuur was 150 ° C om grotere Ag NP's te vormen. De oplossing werd geleidelijk donkerbruin na een reactie van 30 minuten. Na afkoeling tot kamertemperatuur werden alle oplossingen op volgorde gewassen met gedeïoniseerd water, ethanol en aceton, gevolgd door een nacht drogen bij 50°C in een vacuümdroogoven. Daarom werden Ag NP's van vier verschillende groottes verkregen.
De TiO2 compacte voorloperoplossing werd bereid door 1 ml titaniumdiisopropoxide-bis (75%, Sigma-Aldrich, VS) toe te voegen aan 19 ml ethanol. Om precursoren te bereiden die Ag NP's van verschillende groottes en concentraties bevatten, werden verschillende hoeveelheden Ag NP's toegevoegd in de TiO2 voorloper om verschillende molaire verhoudingen van Ag tot Ti te verkrijgen, d.w.z. 0,5, 1, 1,5, 2 en 2,5 mol%, en gedurende 1 uur bij kamertemperatuur geroerd om uniforme voorloperoplossingen te vormen. Voor de voorloper van de mesoporeuze laag, ZrO2 of TiO2 colloïdale oplossing werd toegevoegd aan ethanol, in een massaverhouding van 1:5, en 12 uur geroerd bij kamertemperatuur.
De glas/FTO-substraten werden vooraf gereinigd met gedeïoniseerd water (met detergens), aceton, isopropanol en ethanol, in volgorde, in een ultrasone doos. Voor de fabricage van de PSC-apparaten, TiO2 sol-gel-precursors met Ag NP's van verschillende groottes werden eerst 20 seconden lang bij 4000 tpm op de transparante elektrode gecentrifugeerd en vervolgens ongeveer 10 minuten op 150 ° C verwarmd. De bovenstaande procedures werden herhaald voor de fabricage van de compacte film, die uiteindelijk werd gevormd na 30 minuten uitgloeien bij 500 ° C. Dezelfde methode werd gebruikt om de ongerepte TiO2 . te fabriceren compacte film zonder enige metalen NP's. Vervolgens werden de substraten met compacte film ondergedompeld in een waterige oplossing van TiCl4 gedurende 30 min bij 70 °C en vervolgens gedurende ongeveer 10 min op 150 °C om de TiO2 te optimaliseren compacte laag.
De mesoporeuze TiO2 laag werd bovenop de compacte film afgezet via spincoating van de TiO2 colloïdale oplossing bij 3500 tpm gedurende 20 s, gevolgd door 10 min verhitten op 150°C en 30 min uitgloeien bij 500°C om de anatase TiO2 te maken mesoporeuze laag. Het is aangetoond dat de adoptie van ZrO2 in PSC's kunnen hun stabiliteit verbeteren [57]. Hierin hebben we bovendien een ZrO2 . gebruikt colloïdale oplossing voor spin-coating op de anatase TiO2 mesoporeuze film, en de verkregen ZrO2 film werd 30 minuten bij 500 ° C gesinterd. Nadat het substraat was afgekoeld tot kamertemperatuur, werd de FA0.4 MA0.6 PbI3 perovskietlaag werd gevormd door spincoating van de voorloperoplossing bij 1000 tpm gedurende 10 s en 4000 tpm gedurende 30 s. De perovskiet-precursoroplossing (FA0.4 MA0.6 PbI3 ) bevatte 462 mg PbI2 , 95,4 mg methylammoniumjodide (CH3 NH3 I, 99,99% en 68,8 mg formamidiniumjodide (HN=CHNH3 I, 99,99%), die werden opgelost in 600 mg N ,N -dimethylformamide en 78 mg dimethylsulfoxide. Tijdens het spincoaten van de perovskiet-precursor werd 1 ml diethylether gelijkmatig toegevoegd om een stabiele perovskietfilm te vormen, volgens een eerder rapport [58], dat vervolgens gedurende 10 minuten op 100 ° C werd verwarmd. Het PSC-apparaat werd verkregen nadat de koolstof-tegenelektroden (30 μm) waren gebouwd door zeefdruk en vervolgens gedurende 30 minuten bij 100 °C te gloeien.
Een veldemissie scanning-elektronenmicroscoop (Zeiss Ultra Plus, Duitsland) en transmissie-elektronenmicroscoop (TEM; JEM-2100F, Japan) werden gebruikt om dwarsdoorsneden van de PSC-apparaten te onderzoeken, evenals de oppervlaktemorfologie van de Ag NP's en compacte film. De kristalstructuur van Ag en TiO2 nanodeeltjes werd verkregen door een röntgendiffractometer (XRD; MAX-RB RU-200B, Japan). Het oppervlak van de compacte laagmonsters werd gemeten met röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS; ESCALAB 250Xi, Thermo Fisher Scientific). Stroomdichtheid-spanning (J -V ) curven van de PSC's werden getest door een zonnelichtsimulator (Oriel Sol3A, Newport Corporation, VS), onder AM 1.5G-verlichting, bij 100 mW/cm 2 intensiteit. De absorptiespectra werden bepaald door ultraviolet-zichtbare spectroscopie (UV-vis; Shimadzu, Japan). Incident foton-naar-elektron conversie-efficiëntie (IPCE; Newport Corporation, VS) werd gebruikt om de kwantumefficiëntie van de PSC-apparaten te onderzoeken.
Resultaten en discussie
Voor sferische NP's, als hun grootte veel kleiner is dan de golflengte van het invallende licht, kan de quasi-statische benadering worden gebruikt om hun LSPR-eigenschappen te beschrijven. Volgens de Mie-theorie, en door quasi-statische benadering toe te passen, speelt verstrooiing een hoofdrol bij de toenemende straal van de sferische NP's, en wordt de extinctie-intensiteit dan voornamelijk bepaald door de verstrooiing. Bovendien beïnvloedt de absorptie geleidelijk de extinctie-intensiteit wanneer de straal van de sferische NP's afneemt [59]. De extinctie-intensiteit is echter ook gerelateerd aan de ladingsvaltoestand van de bolvormige NP's en de diëlektrische constante van het omringende medium. De uitstervingsintensiteit moet dus verder worden onderzocht.
Afbeelding 1 toont de XRD-patronen van de TiO2 en het Ag-bevattende TiO2 . Het is duidelijk dat alle XRD-curven sterke pieken hebben die worden toegeschreven aan anatase TiO2 met de standaard anatase PDF-kaart, die aangeeft dat de kristalstructuur van TiO2 verandert nauwelijks met de toevoeging van Ag. In feite kunnen de pieken van Ag niet direct worden waargenomen vanwege de lage concentratie van Ag en de samenvallende piek op ongeveer 2θ = 38°.
XRD-spectra van TiO2 en Ag-ingebedde TiO2
De chemische elementen van de TiO2 . onderzoeken samengestelde compacte film, XPS werd gebruikt om de chemische bindingsenergie van de Ag NP's ingebed in de TiO2 verbinding in de compacte film. Figuur 2a toont de elektronenbindende energie van Ag 3d met de compacte composietfilm. De toppen van Ag 3d5/2 en Ag 3d3/2 bevonden zich in 368,3 en 374,3 eV, wat overeenkomt met de standaard bindingsenergie van Ag 0 [42, 43]. Dit houdt in dat de Ag-elementen in de compacte film aanwezig waren in de vorm van eenvoudige stoffen, zonder enige chemische reactie. Figuur 2b, c toont de apparaatstructuur en het dwarsdoorsnedebeeld van het PSC-apparaat met geïntegreerde Ag NP's in de compacte laag. In feite is de grootte van ZrO2 en TiO2 is bijna hetzelfde van ongeveer 20 nm. Dus de interface tussen ZrO2 en TiO2 is niet gemakkelijk te identificeren.
een Ag 3d XPS-spectra van Ag/TiO2 composieten. b Apparaatstructuur van een Ag/TiO2 perovskiet zonnecel. c Een transversaal FE-SEM-beeld van Ag/TiO2 perovskiet zonnecel. d Schematisch diagram van de scheiding en overdracht van de door de foto gegenereerde dragers (de grijze, blauwe en gele cirkels vertegenwoordigen anatase TiO2 , Ag en perovskiet nanodeeltjes)
Omdat de verdeling van Ag niet precies kan worden onderscheiden door middel van SEM-beeldvorming, werden TEM-afbeeldingen gebruikt om de grootte van zowel de Ag NP's als de Ag/TiO2 te beoordelen. samengestelde compacte film. TEM-afbeeldingen met verschillende formaten Ag NP's en Ag/TiO2 composieten worden weergegeven in Fig. 3. Figuur 3a-d toont de verschillende structuren en grootteverdelingsresultaten van Ag NP's met de afmetingen 10 nm (Fig. 3a), 30 nm (Fig. 3b), 40 nm (Fig. 3c) , en 55 nm (Fig. 3d), die werden bereid met de polyolmethode. Zoals waargenomen in de bovengenoemde figuren, vertoonden de afmetingen van individuele Ag NP's weinig variatie en kon de uniforme grootte van de Ag NP's gemakkelijk worden onderscheiden. Afbeelding 3f toont een vergroot beeld van Ag/TiO2 composieten in de compacte film uit het gestippelde gebied in figuur 3e. De Ag NP's werden omringd door TiO2 voor de vorming van Ag/TiO2 composieten, en de roosterranden van Ag en TiO2 NP's waren ongeveer 2,40 en 3,50 Å van het gestippelde gebied in figuur 3f.
HRTEM-afbeeldingen en grootteverdelingsresultaten van a 10-nm Ag NP's, b 30 nm Ag NP's, c 40-nm Ag NP's en d 55-nm Ag NP's; HRTEM-afbeeldingen van e Ag/TiO2 composiet compactfilm en f vergrote afbeelding uit het gestippelde gebied van e
Afbeelding 2e geeft het schematische diagram weer van de door foto gegenereerde scheiding en overdracht van dragers in de Ag/TiO2 PSC-apparaat onder bestraling met zichtbaar licht, zonder de ZrO2 laag (rode pijlen geven de elektronentransportroute aan en de blauwe pijl vertegenwoordigt de gatentransportroute). Voor de TiO2 compacte laag die de Ag NP's bevat, kunnen de Ag NP's fungeren als ladingsvangplaatsen, wat komt omdat de geleidingsband van Ag NP's tussen de TiO2 en het perovskietmateriaal [35]. Over het algemeen kan de LSPR van Ag de absorptie van zowel organische als perovskiet-zonnecellen aanzienlijk verbeteren [35, 36, 44, 45]. Het beheer van absorptie en ladingsvangst door het gebruik van Ag NP's van verschillende groottes en concentraties zou dus de sterkte van de fotostroom en de prestaties van het PSC-apparaat moeten beïnvloeden.
Figuur 4a toont de absorptiespectra van Ag NP's van verschillende groottes in water, wat wordt aangegeven door de verschillende absorptiepieken. De overeenkomstige absorptiepieken van Ag NP's van 10, 30, 40 en 55 nm waren respectievelijk ongeveer 400, 410, 415 en 420 nm. Bovendien zijn de UV-vis absorptiespectra van de Ag/TiO2 samengestelde compacte films en de hele PSC-apparaten die Ag NP's van verschillende groottes en verschillende concentraties bevatten, worden respectievelijk getoond in Fig. 4 en 5. Zoals te zien is in figuur 4b, is de absorptie van 10-nm Ag NP's in de Ag/TiO2 samengestelde compacte film was hoger dan die van de andere maten, en de absorptie varieerde omgekeerd evenredig met de grootte van de Ag NP's. In feite volgen de absorptiespectra in figuur 4c dezelfde trend als hierboven weergegeven in figuur 4b, en nemen af met de toename van de Ag NP-grootte. Dit kan te wijten zijn aan het verhoogde optische verlies veroorzaakt door de reflectie van grotere Ag NP's en het intrinsiek sterke LSPR-effect van kleine Ag NP's. Volgens eerder onderzoek neemt het LSPR-effect geleidelijk af naarmate de grootte van nobele mentale NP's toeneemt en wordt lichtverstrooiing dominanter [37, 46, 47]. Het LSPR-effect heeft dus een grote impact op de absorptie van PSC-apparaten wanneer de Ag NP's relatief klein zijn.
UV-vis absorptiespectra van de a verschillende maten Ag NP-monster, b Ag/TiO2 monsters met verschillende groottes van Ag NP's, en c Ag/TiO2 PSC-apparaatmonsters met Ag NP's van verschillende groottes
UV-vis absorptiespectra van de compacte films en de hele PSC-apparaten met a , b 10-nm Ag NP's; c , d 30 nm Ag NP's; e , v 40 nm Ag NP's; en g , u 55-nm Ag NP's
Figuur 5a-h toont de UV-vis-absorptiespectra van de compacte films en de hele PSC-apparaten met 10-, 30-, 40- en 55-nm Ag NP's. Zoals waargenomen, werd met de toename van het Ag-gehalte de absorptie van de compacte film geleidelijk verbeterd in het volledig zichtbare gebied. De absorptie van het hele PSC-apparaat volgde dezelfde trend naarmate het Ag-gehalte toenam. Deze spectra geven samen aan dat een gehalte van 2,5 mol% aan Ag/TiO2 had de hoogste absorptie bij elke unieke Ag NP-grootte, wat komt door het LSPR-effect. Met de toename van het gehalte aan Ag NP's, werd het LSPR-effect ook sterker. De grootte van nanodeeltjes speelt een belangrijke rol in het uitdovingsgedrag, zoals de lichtabsorptie en verstrooiing. Door Fig. 4 te vergelijken met Fig. 5a, c, e, g, verschoven de plasmonische absorptiepieken van 10-, 30-, 40- en 55-nm Ag NP's toen de Ag NP's waren ingebed in de TiO2 compacte laag, die wordt toegeschreven aan de grotere brekingsindex van TiO2 vergeleken met water [48]. In feite, TiO2 NP's hebben een relatief hoge absorptie in dit golflengtegebied. Hoewel het LSPR-effect van de Ag NP's optreedt wanneer ze worden bestraald met licht, vertoont de absorptie bij een golflengtegebied korter dan 350 nm geen significante toename vanwege de hoge extinctiecoëfficiënt van het perovskietmateriaal dat leidt tot de verzadiging van lichtabsorptie. De absorptie van het perovskietmateriaal is sterk in het korte golflengtegebied van ongeveer 400 nm en relatief zwak in het lange golflengtegebied van 600-800 nm. Vanwege het LSPR-effect van de Ag NP's wordt de absorptie van het hele PSC-apparaat aanzienlijk verbeterd. Bovendien verbeteren de Ag NP's de lichtabsorptie in het zichtbare gebied (380 ~ 780 nm), wat voornamelijk kan worden toegeschreven aan de LSPR van Ag NP's, naast de absorptie van het perovskietmateriaal, wanneer de grootte van de Ag NP's kleiner is dan ~ 100 nm [46].
De gemeten J -V curven die de prestaties van de PSC-apparaten met verschillende groottes en inhoud van Ag NP's onthullen, worden getoond in Fig. 6. Figuur 7 vertegenwoordigt een tweedimensionaal diagram en de bijbehorende tabel van PCE, kortsluitstroomdichtheid (J sc ), nullastspanning (V oc ), en vulfactor (FF) van de Ag/TiO2 PSC-apparaten met verschillende inhoud en groottes van Ag NP's. In feite, vergeleken met de apparaten zonder Ag NP's, vertoonden de apparaten met verschillende groottes van Ag NP's en verschillende Ag-gehalten weinig verschil in V oc . Voor de Ag NP-grootte van 10, 30, 40 en 55 nm, de J sc van de Ag/TiO2 PSC-apparaten waren allemaal hoger dan die van de apparaten zonder Ag NP's (20,38 mA cm −2 ), de corresponderende waarden zijn ongeveer 23,02, 23,7, 22,46 en 22,1 mA cm −2 , respectievelijk. De verbeterde J sc van de Ag/TiO2 PSC-apparaten kunnen worden toegeschreven aan de verbetering van de absorptie van perovskietmateriaal door LSPR. De opname van Ag NP's kan dus de PCE van PSC-apparaten verbeteren door de absorptie-intensiteit van het perovskietmateriaal te verbeteren. Voor hetzelfde gehalte aan Ag NP's, met de toename in grootte van Ag NP's, neemt de PCE geleidelijk af. Het verhoogde optische verlies veroorzaakt door de reflectie en absorptie van grotere Ag NP's vermindert de lichtabsorptie van het perovskietmateriaal. Gebaseerd op de tabel in Fig. 7, de PCE van de Ag/TiO2 PSC-apparaten variëren omgekeerd evenredig met de grootte van de Ag NP's en 1,5 mol% Ag/TiO2 PSC-apparaten met 10-nm Ag NP's hadden een gemiddelde PCE van 12,01% (van de 10 PSC-apparaten) en de hoogste PCE van 13,26%. Voor de Ag NP-grootte van 10 nm, de J sc van de 1,5 mol% Ag/TiO2 PSC-apparaten waren iets lager dan die van de 2 mol% Ag/TiO2 PSC-apparaten, maar de 1,5 mol% Ag/TiO2 PSC-apparaten hadden de hoogste FF in vergelijking met alle andere inhoud van 10-nm Ag/TiO2 PSC-apparaten. Met de toename van het Ag NP-gehalte wordt de PCE van Ag/TiO2 PSC-apparaten met Ag NP's van verschillende groottes namen geleidelijk af, wat komt door de ladingvangplaatsen van de Ag NP's, die de prestaties van de PSC verminderen. In feite wordt aangenomen dat Ag NP's de elektronen vangen die worden gegenereerd door perovskietmaterialen en het transport van ladingen kunnen belemmeren vanwege de verschillende energieniveaus tussen TiO2 en de Ag NP's [60]. Het gecombineerde effect van lichtverstrooiing en LSPR kan dus de prestaties van Ag/TiO2 aanzienlijk beïnvloeden. PSC-apparaten.
J -V curven van PSC-apparaten met verschillende inhoud van verschillende groottes van Ag NP's van a 10 nm, b 30 nm, c 40 nm en d 55 nm
Tweedimensionale histogrammen en de bijbehorende tabellen van a PCE, b J sc , c spanning, en d FF van PSC-apparaten met verschillende groottes en inhoud van Ag NP's
Afbeelding 8 geeft de IPCE-curves weer van de PSC-apparaten met of zonder Ag NP's. Het PSC-apparaat met de 10-nm Ag NP's vertoonde de hoogste verbetering van de IPCE in het zichtbare gebied, zoals weergegeven in figuur 8a. Bovendien kunnen lage versterkingswaarden worden waargenomen wanneer de grootte van de Ag NP's groter was dan 10 nm. Over het algemeen hadden de PSC-apparaten met Ag NP's hogere IPCE-verbeteringswaarden in vergelijking met monsters zonder Ag NP's, wat voornamelijk te wijten is aan de absorptieverbetering door de LSPR van Ag NP's. In Fig. 8b-e kan worden waargenomen dat de IPCE-verbeteringswaarden van 1,5 mol% Ag/TiO2 PSC-apparaten waren het hoogst voor elke Ag NP-maat. Bovendien namen de IPCE-verbeteringswaarden van de PSC-apparaten geleidelijk af met de toename van het Ag-gehalte, wat kan worden toegeschreven aan de ladingsvangst op de Ag NP's en verslechtering van het elektronentransport waardoor de PCE wordt verlaagd. Ten slotte wordt de IPCE verlaagd door de elektronenoverdracht naar de Ag NP's, waar de ladingen worden gevangen door de barrières tussen TiO2 en de Ag NP's.
IPCE-spectra (380 tot 800 nm) van PSC-apparaten met a verschillende formaten Ag NP's, b verschillende inhoud van 10-nm Ag NP's, c verschillende inhoud van 30-nm Ag NP's, d verschillende inhoud van 40-nm Ag NP's, en e verschillende inhoud van 55-nm Ag NP's
Conclusies
In dit artikel hebben we de polyolmethode gebruikt om Ag NP's van verschillende groottes te bereiden en de invloed van grootte en inhoud van Ag NP's op PSC-apparaten te onderzoeken. De absorptieverbetering van de PSC-apparaten in het zichtbare gebied werd voornamelijk toegeschreven aan de LSPR van Ag NP's. Met de toename in grootte en inhoud van Ag NP's, neemt de absorptie-intensiteit van zowel TiO2 compacte film en PSC-apparaat namen respectievelijk geleidelijk af en toe. Met de toevoeging van Ag NP's neemt het ladingstransportvermogen toe en worden de prestaties van het PSC-apparaat bijgevolg verbeterd. Bovendien vertoonde het PSC-apparaat met een kleine omvang en hoeveelheid Ag NP's hogere PCE- en IPCE-waarden. In het bijzonder het PSC-apparaat met 10-nm Ag NP's en 1,5 mol% Ag/TiO2 compactfilm vertoonde de hoogste PCE van 13,26%. Deze resultaten kunnen een referentie vormen voor het introduceren van Ag NP's van verschillende groottes en inhoud in PSC-apparaten om hun prestaties te verbeteren.
Nanomaterialen
- Hoogrendement grafeen zonnecellen
- Effect van gouden nanodeeltjesdistributie in TiO2 op de optische en elektrische kenmerken van kleurstofgevoelige zonnecellen
- Elektrodepositie van SnO2 op FTO en de toepassing ervan in planaire heterojunctie perovskiet-zonnecellen als een elektronentransportlaag
- Zeer efficiënte omgekeerde perovskiet-zonnecellen met CdSe QDs/LiF-elektronentransportlaag
- Vervaardiging, karakterisering en biologische activiteit van avermectine nano-afgiftesystemen met verschillende deeltjesgroottes
- Bevordering van SH-SY5Y-celgroei door gouden nanodeeltjes gemodificeerd met 6-mercaptopurine en een neuron-penetrerend peptide
- De optimale titaniumvoorloper voor het vervaardigen van een TiO2-compacte laag voor perovskietzonnecellen
- Een onderzoek naar een kristallijn-silicium zonnecel met zwarte siliciumlaag aan de achterkant
- Verbeterde energieconversie-efficiëntie van perovskiet-zonnecellen met een up-conversiemateriaal van Er3+-Yb3+-Li+ tri-gedoteerde TiO2
- Effect van verschillende CH3NH3PbI3-morfologieën op fotovoltaïsche eigenschappen van perovskiet-zonnecellen
- Verbetering van de efficiëntie van de foto-elektrische conversie voor de flexibele vezelachtige kleurstofgevoelige zonnecellen